基于CORS用戶端的三維成果智能轉(zhuǎn)換與管理軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)

劉忠，張周平，秦寬

(西安市勘察測(cè)繪院，陜西 西安 710054)

1 引言

近年來，隨著我國(guó)陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)以及各省市城市CORS網(wǎng)的不斷建設(shè)，大量的GNSS連續(xù)跟蹤站在源源不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集?；谶@種城市CORS實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)目前已經(jīng)成為測(cè)繪行業(yè)乃至其他如地質(zhì)、交通、規(guī)劃等行業(yè)的主要測(cè)量手段之一。然而，用戶雖然能夠通過網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)實(shí)時(shí)獲取坐標(biāo)成果，但由于直接獲得的是WGS－84坐標(biāo)，在缺少地方坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)和水準(zhǔn)面模型的情況下，難以直接獲取地方坐標(biāo)及高程成果，因此也就很難實(shí)時(shí)開展相關(guān)測(cè)量工作。而地方坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)以及區(qū)域似大地水準(zhǔn)面成果由于政治和經(jīng)濟(jì)等因素，在商業(yè)化應(yīng)用推廣中尚存在許多現(xiàn)實(shí)問題，諸如國(guó)家坐標(biāo)與地方坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換問題，轉(zhuǎn)換參數(shù)與水準(zhǔn)面模型的保密問題，用戶權(quán)限的許可問題，用戶行為的控制與約束問題等等，目前坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)大多處于保密狀態(tài)。因此，常規(guī)做法往往是用戶先進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)采集，然后發(fā)送給地方主管部門，進(jìn)行相關(guān)解算后將地方坐標(biāo)發(fā)送給用戶，用戶再根據(jù)地方坐標(biāo)成果開展相關(guān)測(cè)量工作。這使得外業(yè)測(cè)量工作效率難以實(shí)質(zhì)性提高，無法最大限度地發(fā)揮城市CORS的優(yōu)勢(shì)，這些問題都制約著各個(gè)省級(jí)或城市CORS系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展，也制約著經(jīng)濟(jì)效益的提高和測(cè)繪科技的進(jìn)步。鑒于此，本文以西安GNSS連續(xù)運(yùn)行綜合服務(wù)系統(tǒng)為例，研制開發(fā)了基于CORS用戶端的實(shí)時(shí)三維成果智能轉(zhuǎn)換與控制軟件，將保密的數(shù)據(jù)和參數(shù)通過加密手段移植到軟件中，并將軟件直接加載在外業(yè)測(cè)量觀測(cè)手簿上，真正使得外業(yè)測(cè)量工作實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高效，提高了城市CORS的應(yīng)用領(lǐng)域和使用效率，同時(shí)也維護(hù)地方坐標(biāo)參數(shù)和似大地水準(zhǔn)面模型的保密性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)路線思想

目前，對(duì)CORS用戶的管理大多由系統(tǒng)本身的數(shù)據(jù)中心來完成，對(duì)用戶的權(quán)限許可等管理功能通過數(shù)據(jù)中心來實(shí)現(xiàn)，但如果用戶要實(shí)時(shí)得到國(guó)家系或地方平面坐標(biāo)系以及實(shí)時(shí)高程成果，同時(shí)又想實(shí)現(xiàn)參數(shù)的保密，坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換和大地高的改化工作通常會(huì)產(chǎn)生三種方案:第一種是基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程坐標(biāo)轉(zhuǎn)換［1］，即流動(dòng)站把WGS－84坐標(biāo)信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)回控制中心，控制中心處理后把轉(zhuǎn)換后的平面坐標(biāo)成果和改化后的高程發(fā)送給流動(dòng)站，流動(dòng)站不涉及任何參數(shù)，所有參數(shù)都由控制中心管理。第二種是基于服務(wù)器端的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換［2］，該模式基于 Trimble VRS技術(shù)，在已有的 CORS系統(tǒng)中增加了一個(gè)中間服務(wù)器，將VRS信息改化為虛擬基準(zhǔn)站，用戶端采用偽七參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。第三種是基于用戶端的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，該方法是將含有加密參數(shù)的轉(zhuǎn)換軟件加載到手簿，從而實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和高程改化。這三種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，方案一的優(yōu)點(diǎn)是軟件開發(fā)簡(jiǎn)單，兼容性強(qiáng)，對(duì)流動(dòng)站要求低，參數(shù)保密效果好，但多了一次數(shù)據(jù)傳輸工序，數(shù)據(jù)中心需要增加一臺(tái)電腦來控制配合流動(dòng)站，需要一定成本，同時(shí)外業(yè)必須有可用的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)支持，因此工作時(shí)效低。方案二優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換方便，保密性好，流動(dòng)站不做任何改動(dòng)。缺點(diǎn)是成本高，兼容性差，軟件開發(fā)困難，參數(shù)設(shè)置麻煩，且要根據(jù)用戶坐標(biāo)系的需求來變更參數(shù)，實(shí)用性差。方案三需要針對(duì)不同廠家和不同型號(hào)的流動(dòng)站去開發(fā)轉(zhuǎn)換軟件，開發(fā)環(huán)境和語言比較復(fù)雜，但服務(wù)效率高、靈活性強(qiáng)、保密性好、實(shí)用性強(qiáng)、轉(zhuǎn)換精度高、成本也相對(duì)較低。

目前市場(chǎng)上的RTK手簿主要由Window CE和Mobile操作系統(tǒng)組成，考慮到服務(wù)效率以及參數(shù)保密性和實(shí)用性，本文采取第三種方案作為用戶職能控制的技術(shù)路線，并把用戶權(quán)限許可、用戶行為控制與約束、軟件和參數(shù)加密等功能也集成在流動(dòng)站，這樣用戶在獲得授權(quán)許可的軟件加載后，即可獲得相應(yīng)的轉(zhuǎn)換服務(wù)。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于流動(dòng)站的用戶智能管理軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能:

①用戶端的坐標(biāo)實(shí)時(shí)獲取功能:用戶可在流動(dòng)站獲得授權(quán)許可范圍內(nèi)的任意坐標(biāo)系下坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換參數(shù)加密不可見;

②用戶端的高程轉(zhuǎn)換功能:將似大地水準(zhǔn)面格網(wǎng)數(shù)據(jù)加載到軟件中，實(shí)現(xiàn)授權(quán)許可范圍內(nèi)高程成果的實(shí)時(shí)獲取，且格網(wǎng)數(shù)據(jù)加密不可見;

③用戶類型與權(quán)限許可:可通過客戶端軟件控制不同用戶的使用功能;

④使用時(shí)間控制功能:可控制用戶的使用時(shí)間，超出授權(quán)期限，軟件過期;

⑤使用范圍控制功能;可控制用戶的使用范圍，超出授權(quán)范圍，轉(zhuǎn)換功能失效;

⑥使用內(nèi)容控制功能:用戶可在管理中心獲取不同坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和高程轉(zhuǎn)換的授權(quán)，超出授權(quán)許可功能，轉(zhuǎn)換功能不可用。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

坐標(biāo)成果轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)主要包括:空間三維坐標(biāo)成果之間的轉(zhuǎn)換、空間坐標(biāo)系與平面坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換、用戶點(diǎn)高程異常插值計(jì)算等。

對(duì)于空間三維坐標(biāo)成果之間的轉(zhuǎn)換，本文主要針對(duì)XACORS所使用的WGS－84與CGCS2000坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換。這里，采用布爾沙模型，又稱為七參數(shù)轉(zhuǎn)換法［3－5］，具體數(shù)學(xué)模型如式(1)所示。

對(duì)于空間坐標(biāo)系與平面坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，主要針對(duì)XACORS所使用的WGS－84與1980西安坐標(biāo)系、1954年北京坐標(biāo)系、西安地方系之間的轉(zhuǎn)換。本文先將WGS－84坐標(biāo)采用經(jīng)典高斯正算得到投影后的平面坐標(biāo)成果，然后在兩平面坐標(biāo)系之間建立四參數(shù)模型，保證轉(zhuǎn)換精度高于0.1mm。

對(duì)于用戶點(diǎn)的高程異常插值計(jì)算，本文利用區(qū)域似大地水準(zhǔn)面格網(wǎng)模型和雙線性內(nèi)插方法［6］計(jì)算流動(dòng)站的高程異常，從而計(jì)算出該點(diǎn)的正常高。具體的雙線性插值計(jì)算公式如下所示:

2.4 加密技術(shù)

加密技術(shù)是有效管理和控制用戶軟件的關(guān)鍵，本文同時(shí)開發(fā)由監(jiān)管單位管理人員操作的管理員軟件和讓普通用戶使用的用戶軟件。管理員軟件主要的功能是采用特殊的加密算法生成加密文件，通過加密文件來管理用戶軟件的使用權(quán)限、使用時(shí)間和使用次數(shù)等。用戶端的用戶軟件必須和加密文件動(dòng)態(tài)地交互信息才能正常工作，從而達(dá)到對(duì)用戶軟件的使用權(quán)限、使用時(shí)間和使用次數(shù)進(jìn)行控制，也實(shí)現(xiàn)了用戶軟件不可復(fù)制使用等限制功能。

3 軟件開發(fā)與應(yīng)用

3.1 開發(fā)環(huán)境

基于目前市場(chǎng)上比較主流的幾款流動(dòng)站:天寶5700、天寶 R8、南方 S82、拓普康 GR －3、徠卡 GS15等，對(duì)其配套的手簿進(jìn)行實(shí)時(shí)三維成果轉(zhuǎn)換軟件開發(fā)，管理員模塊采用VC6.0編程平臺(tái)進(jìn)行軟件開發(fā)，用戶模塊分別采用EVC4.0和VS2008進(jìn)行不同操作系統(tǒng)的手簿軟件開發(fā)。其中，EVC4.0主要針對(duì)WinCE4.0以下操作系統(tǒng)手簿開發(fā)，VS2008用于WinCE4.0以上手簿和Windows Mobile操作系統(tǒng)的軟件開發(fā)，程序語言分別采用標(biāo)準(zhǔn)C和C++語言。

本項(xiàng)目中，天寶 5700系統(tǒng)為 WinCE4.0，采用EVC4.0開發(fā)用戶軟件;天寶 R8系統(tǒng)為 Windows Mobile，采用VS2008開發(fā)用戶軟件;南方S82系統(tǒng)為WinCE5.0，采用 EVC4.0開發(fā)用戶軟件;拓普康 GR －3系統(tǒng)為 WinCE4.2，采用 EVC4.0開發(fā)用戶軟件;徠卡GS15系統(tǒng)為 Windows CE6.0，采用 VS2008開發(fā)用戶軟件。

3.2 系統(tǒng)軟件模塊

本文的坐標(biāo)成果軟件主要由兩大模塊組成:管理員加密授權(quán)軟件和用戶坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件。兩個(gè)模塊的具體工作流程交互關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

其中，管理員模塊(如圖2所示)由內(nèi)業(yè)管理員來管理和控制，管理員根據(jù)不同的用戶需求進(jìn)行用戶所需的功能設(shè)置，包括坐標(biāo)系選擇、坐標(biāo)參數(shù)設(shè)置、使用時(shí)間設(shè)置、使用次數(shù)設(shè)置、使用范圍設(shè)置、平面或高程獲取設(shè)置，最終生成一個(gè)加密控制文件。

圖2 管理員加密授權(quán)軟件

流動(dòng)站用戶應(yīng)用軟件(如圖3所示)是在RTK智能手簿上安裝的模塊，軟件必須配合管理員模塊生成的控制文件才能夠使用，流動(dòng)站用戶可將網(wǎng)絡(luò)RTK實(shí)時(shí)采集的WGS－84坐標(biāo)通過該軟件轉(zhuǎn)換為所需的坐標(biāo)類型。

圖3 用戶應(yīng)用軟件

3.3 系統(tǒng)測(cè)試

軟件開發(fā)完成后，本文利用XACORS的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能進(jìn)行了相應(yīng)測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括軟件的加密功能、參數(shù)的保密功能、不同坐標(biāo)系下坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能、坐標(biāo)系選擇與限制功能、使用時(shí)間次數(shù)及范圍限制功能、軟件的兼容性測(cè)試、轉(zhuǎn)換精度測(cè)試等。其中，利用76個(gè)待測(cè)點(diǎn)在用戶軟件上進(jìn)行了三維坐標(biāo)成果轉(zhuǎn)換、二維坐標(biāo)成果轉(zhuǎn)換、高程轉(zhuǎn)換三個(gè)環(huán)節(jié)的精度測(cè)試，每個(gè)點(diǎn)與給定的實(shí)際坐標(biāo)成果“真值”進(jìn)行比較，分析得到的殘差RMS指標(biāo)值，統(tǒng)計(jì)精度結(jié)果如表1所示。

表1 不同轉(zhuǎn)換類型的精度測(cè)試結(jié)果

由表1也可以看出，本文開發(fā)的用戶軟件在坐標(biāo)成果轉(zhuǎn)換中的精度是能夠滿足mm級(jí)轉(zhuǎn)換要求，可以滿足常規(guī)工程應(yīng)用的需求。

4 軟件系統(tǒng)的主要特色與優(yōu)勢(shì)

(1)軟件設(shè)計(jì)性能特點(diǎn):

①軟件界面簡(jiǎn)化、操作簡(jiǎn)單實(shí)用;

②各個(gè)模塊可以獨(dú)立操作，也可以聯(lián)合操作，使用權(quán)限和使用范圍可以受控;

③數(shù)據(jù)保密，成果加密。

(2)保密設(shè)計(jì)特點(diǎn):

①軟件安裝使用權(quán)限保密;

②原始數(shù)據(jù)保密;

③使用時(shí)間限制;

④使用測(cè)區(qū)范圍限制;

⑤使用需求限制。

(3)軟件的主要優(yōu)勢(shì):

①在手簿上即可得到用戶需求的坐標(biāo)和高程，不需要下載數(shù)據(jù)或進(jìn)行后處理，不需要增加中間服務(wù)器或終端設(shè)備，簡(jiǎn)單實(shí)用，成本低;

②模塊獨(dú)立性強(qiáng)，不同需求用戶的使用權(quán)限、使用范圍、使用時(shí)間可以有效控制;

③軟件模塊界面上不出現(xiàn)任何原始數(shù)據(jù)或模型，數(shù)據(jù)參數(shù)保密性好;

④軟件具備加密功能，必須通過驗(yàn)證才可安裝使用，可以保護(hù)版權(quán)，且可以升級(jí)。

5 結(jié)語

經(jīng)測(cè)試，本文開發(fā)的軟件內(nèi)部各個(gè)模塊既可以獨(dú)立操作，也可聯(lián)合操作，用戶的使用權(quán)限、使用范圍、使用時(shí)間、使用轉(zhuǎn)換參數(shù)可以受控。用戶可實(shí)現(xiàn)不同坐標(biāo)系下的坐標(biāo)成果和高程，且轉(zhuǎn)換精度高、參數(shù)和數(shù)據(jù)保密性好。軟件操作簡(jiǎn)單、實(shí)用，且具備良好的加密功能，必須通過驗(yàn)證才可安裝使用，且拷貝不可用。該軟件已成功應(yīng)用于西安市城市規(guī)劃測(cè)量、地形測(cè)圖、高程測(cè)量等多個(gè)領(lǐng)域，并能兼容天寶、拓普康、徠卡、南方等多種型號(hào)的RTK手簿，實(shí)現(xiàn)了面向用戶端的智能控制與服務(wù)管理，解決了CORS系統(tǒng)在商業(yè)應(yīng)用階段的參數(shù)保密等相關(guān)問題，推動(dòng)了CORS系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，提高了外業(yè)工作效率，為XACORS在西安市的廣泛應(yīng)用發(fā)揮了積極推動(dòng)作用。

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